腦科學是人類認識世界認識自我的最終挑戰
——訪中國科學院院士、美國科學院外籍院士蒲慕明教授

文圖/《中國醫藥導報》 主筆 潘 鋒 記者 張浩臣

以“創新，為了人類美好生活”為主題的“2021 浦江創新論壇”6 月3 日在上海舉行，上海市委書記李強、科技部部長王志剛等出席論壇全體大會。王志剛在主旨報告中說：“當今世界正經歷百年未有之大變局讓人類生活更加美好，離不開科技創新的有力支撐。我們將深入落實習近平總書記關于科技創新的重要指示精神，緊緊抓住新科技革命和產業變革的重大戰略機遇，在應對全球重大挑戰中充分發揮科技創新的關鍵作用，強化科技創新對新發展格局的支撐引領，把實現人民高品質生活作為重要著力點，為解決不平衡不充分發展的矛盾提供科技創新答案。”

中國科學院院士、美國科學院外籍院士、中科院腦科學與智能技術卓越創新中心學術主任、上海腦科學與類腦研究中心主任蒲慕明教授，在浦江創新論壇全體大會上做的題為“腦科學、腦疾病與類腦智能”的主題報告中，介紹了中國腦科學計劃和未來腦科學研究的重要發展方向。

中國腦科學計劃“一體兩翼”

蒲慕明院士首先介紹說，腦科學研究的目標就是要闡明腦功能的神經基礎和工作原理，即大腦的結構是什么、大腦是如何工作的，這也是人類理解大自然的終極目標之一。同時也希望從大腦的研究中得到一些啟發，從而能夠模擬大腦、研發腦機接口和類腦人工系統，得到更高的智能人工器件如智能機器人等，通過模擬大腦創造出像人一樣智慧的機器則是人工智能的終極目標，也是腦科學的發展方向之一。另外，在人口健康方面科學家們希望通過對大腦的研究，闡明腦疾病是如何產生等問題，以更好地保護好大腦，防止大腦衰退，診斷治療腦疾病和創傷，促進智力發展。

蒲慕明院士接受媒體采訪

蒲慕明院士說，由于重大腦疾病的危害性十分嚴重，世界各國都把研究腦疾病作為醫療與健康政策中最優先支持的項目之一。重大腦疾病研究具有綜合交叉和科學前沿的雙重特點，可以帶動信息、電子、先進制造等學科發展，促進新興產業涌現，美國、歐盟、日本等近年來相繼推出的各自的腦計劃都是把腦疾病研究作為主要的組成部分和最終目標。中國也已在多年前開始醞釀中國腦科學計劃，經過4 年討論于2018 年正式確定了中國腦計劃的內容，就是“一體兩翼” 的基本架構，“腦科學與類腦研究” 成為科技部創新2030 重大科技項目之一。

蒲慕明院士介紹，“一體”就是指研究腦認知功能的神經基礎，包括建立腦研究創新技術平臺、開展與認知功能相關的神經環路研究、腦智發育過程研究等。同時，要繪制大腦在介觀層面的神經聯接圖譜，并在此結構圖譜的基礎上解析神經環路的功能。“兩翼”分別是腦疾病診治和腦機智能技術，腦疾病診治包括認知相關重大腦疾病的早期診斷與干預、臨床和社區隊列數據和樣本庫建立等并以此推動腦健康和醫療產業發展。腦機智能技術則包括了類腦計算系統、類腦器件、智能體以及腦機接口與腦調控技術等，該領域將對未來人工智能產業產生重大影響。

構建大腦介觀圖譜

蒲慕明院士認為，要深入理解大腦和闡明大腦是如何工作的就需要精細地了解大腦的結構，現在研究大腦結構有不同分辨率的技術手段，可以從三個層面研究腦神經聯接圖譜。一是宏觀圖譜，利用的是核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術，MRI 空間分辨率為毫米，在這個范圍內大致可以看到神經束在腦區之間的走向。二是介觀圖譜，旨在進一步發現神經細胞的聯接細節，了解每一個神經細胞如何跟其他不同種類的神經細胞進行聯接并傳送信息，在各種腦功能時有什么神經活動。介觀圖譜是細胞層面的，空間分辨率為微米，使用的是光學顯微鏡成像技術。三是微觀圖譜，在電子顯微鏡下對神經細胞聯接的細節進行觀察，電子顯微鏡成像的空間分辨率是納米，可以觀測到細胞的內部結構。目前介觀全腦神經聯接圖譜是全世界神經科學家都十分關心的一個研究方向，中國科學家團隊在介觀圖譜繪制方面已做出國際矚目的成果。

蒲慕明院士介紹，大腦認知的神經原理是一項十分重要的基礎神經科學研究，主要內容包括基本的腦功能，如感覺和知覺、學習和記憶、情緒和情感、注意和抉擇等，從線蟲、果蠅和斑馬魚到小鼠和猴子等很多動物都具備這些基本功能，通過對這些動物大腦的研究理解執行上述功能的相關神經環路和工作機理。此外還有高級腦認知功能，高級腦認知功能只有靈長類以上較高等的動物才有，如共情心、親社會行為、意識、語言等，還有人類復雜的語言也是其他動物所沒有的，因此腦科學研究需要了解高級腦認知功能的神經環路和工作機理，闡明認知功能產生機理對于設計類人腦的下一代人工智能具有重要意義。此外，腦科學研究還有助發現腦認知功能的發育過程，如孩子剛出生的時候為什么會出現智能，大腦的成長過程是怎么回事，闡明認知功能發育的神經環路、遺傳和環境因素對認知功能的影響等。

蒲慕明院士說，探究上述因果關系和全景式理解大腦未知首先需要一張大腦“地圖”即全腦介觀神經聯接圖譜。我們需要知道大腦中神經元的種類，然后要弄清楚不同腦區每一類神經元的輸出和輸入的神經聯接，他們把信息都傳送到哪里去了，接收到了哪些神經細胞的信息，這就是神經聯接的結構圖譜的作用。有了結構圖譜才能進一步觀測腦神經網絡中各種神經環路上的電活動，理解電信號如何在網絡中進行處理和存儲，這就是神經聯接的活動圖譜，有了活動圖譜才能解析神經環路的工作原理，因此，未來腦科學研究的第一個關鍵點就是在介觀層面上闡明大腦的網絡結構和功能。

蒲慕明院士介紹，我國已啟動了一個繪制全腦介觀神經聯接圖譜的大科學計劃，該計劃將首先繪制小鼠、獼猴等等模式動物的全腦介觀神經聯接圖譜，最終將擴展到人類大腦的全腦介觀神經聯接圖譜。目前我國介觀圖譜繪制技術已居世界領先水平，中國科學院院士、華中科技大學武漢光電國家研究中心生物醫學光子學功能實驗室教授駱清銘等，創建了具有亞微米分辨率的全腦顯微光學切片斷層成像（microoptical slice tomography，MOST）技術，這一技術滿足了全腦介觀神經聯接圖譜繪制的重大需求。利用這一技術研究人員已經三維重構了數千個小鼠皮層神經元的軸突全腦投射圖譜，這些神經元種類繁多，它們的全腦投射有許多特殊的規律，這些規律只有通過介觀層面細胞分辨率的分析才能解析清楚。人腦有近千億個細胞，分析的復雜性和龐大的數據量都是難以想象，需要數理科學家、信息科學家等的共同努力。

服務健康中國

蒲慕明院士說，來自世界衛生組織的數據顯示在各種疾病的社會負擔中腦疾病占28%。這些腦疾病包括單向情感障礙、藥物和酒精成癮、其他心智障礙及精神疾病、精神分裂癥、雙相型障礙、癡呆、癲癇和其他神經類疾病，包括神經類和精神類疾病在內的各種腦疾病在所有疾病中社會負擔最大，超過了心血管疾病和癌癥。另外需要看到的是目前還沒有治療腦疾病很有效的藥物，中國和世界腦疾病藥物研發進展緩慢。

蒲慕明院士認為，腦科學研究的重大應用就是為健康中國服務。如何維持健康的大腦發育和智力發育等都是非常重要的社會問題，維持大腦正常功能，延緩大腦退化也是健康生活所必需的。目前，中國65 歲以上老年人超過1 億，我國已進入老齡化社會，而神經退行性疾病是老齡化社會必須面對的一個大問題。此外，對于幼年期孤獨癥和智障、成年抑郁癥和成癮、老年期的退行性腦疾病、阿爾茨海默病與帕金森病等各種重大腦疾病，只有充分了解了他們的發病機理才能夠找到最有效的解決方法。對各種重大腦疾病盡管已有了數十年的研究，科學界也提出了一些理論，但至今很多腦疾病的發病機理仍不清楚，也沒有很好的解決方法，為未來的研究之路還很長。但在完全弄清楚發病機理之前必須研發出針對不同腦疾病的早期診斷指標和早期干預手段，需要確立腦重大疾病預警手段和血液、腦脊液、分子影像、腦功能等早診指標。一旦有了早診指標就可以進行早期干預，如可以用一些手段來減緩或延遲記憶衰退。未來需要研發更多的腦重大疾病早期干預、治療與康復新技術、新方法、新儀器，包括藥理、生理、心理和物理技術等。

“要等我們把致病機理搞清楚就太晚了，社會負擔太大了，我們要在這之前對疾病有預警，能早期診斷，能進行早期干預。”蒲慕明院士說，蒲慕明院士認為，腦重大疾病研究需要有更加符合臨床實際的非人靈長類疾病模型，從而為相關藥物、診斷與治療技術的研發提供可靠的平臺，縮短臨床轉化應用的時間。腦疾病治療目前面臨著很難找到特異性藥物靶點這一難題。因此，在臨床前為判別藥物是否可用需要進行動物實驗，檢測的首要指標就是藥物的安全性即觀察動物使用后是否安全，健康指標會不會受到不良的影響等。腦疾病診治新技術研究首先要建立帶有腦疾病的動物模型，在這些模型上進行各種干預手段的篩選和驗證，然后再進行人體臨床實驗并最終成為臨床可應用的干預和治療手段。由于獼猴的大腦結構與人類非常相近，因此是很好的模式動物，所以建立獼猴腦疾病動物模型是十分必要的。克隆猴“中中”和“華華”（正常猴）于2017 年底誕生，Nature 發表評論稱“克隆猴將為生物醫學界帶來革命性的進展”，節律紊亂疾病模型克隆猴于2018 年底誕生，這些中國科學院神經科學研究所的成果都為腦疾病治療研究提供了很好的動物疾病模型。

蒲慕明院士介紹，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心/神經科學研究所于2016 年啟動腦功能檢查工具集研發項目，研發出了一組定量、廣譜、簡易有效的腦功能障礙早期診斷標準化工具集。通過多單位、多課題組團隊設計了15 項認知功能定量檢測工具集（1.0 版），包括視聽嗅覺、短期記憶、長期記憶、面孔識別、注意力、負面情緒、眼動軌跡、手動、沖動控制、決策與判斷力、語言等。

“玩一些游戲，做一些腦電記錄和眼動記錄都是客觀定量的，工具集一個半小時給的數值可以指出你的各種腦功能的狀態。”蒲慕明院士說。

蒲慕明院士介紹說，腦健康普查30 年目標是：2020—2021 年，認知功能定量檢測工具集（1.0 版）在上海各大醫院和精神衛生中心試用；2025 年，建立各項腦功能指標隨年齡的正態分布和異常界定標準，在長三角各大醫院實現老年人群全面實施腦健康普查，為腦疾病早期預警和診斷提出指導性建議和方案，為各種異常腦功能提供特異性早期干預方法和手段。2050年，腦健康普查將全面推廣到全國，通過早期診斷和早期干預改善我國老年人群腦健康狀況，減輕社會醫養負擔，同時將中國腦健康普查模式、檢測標準、干預手段推廣到全球，為世界腦健康做出中國貢獻。

腦機智能技術發展方向

蒲慕明院士在報告最后一部分重點闡述了中國腦科學計劃“兩翼” 中的另一翼即腦機智能技術。腦機智能技術的未來發展方向包括：腦機接口和腦機融合新模型、新方法，腦活動調控技術，即通過電、磁、光、超聲來改變大腦的狀態。盡管現在的深度網絡計算模型很好，但與人腦相比還相差得很遠，需要開發新一代機器學習模型和類腦計算系統以及類神經元芯片、處理器、存儲器和計算機。如果能夠更進一步研發出類人腦的新型計算模型和新的類似神經元的處理硬件并將他們應用到新一代計算機上，則有可能做出更優秀、更高效的計算機，他們的信息處理能力也將更接近人類并且能耗更低效率更高。此外，腦機智能技術發展還要開發類腦智能體和智能機器人、大數據信息處理和計算新理論。

蒲慕明院士特別談到了目前科學界最為熱門、公眾也格外關注的腦機接口（brain-computer interface，BCI）。腦機接口技術是在腦與外部設備之間建立通訊控制通道，用大腦的生物電信號操控外部設備并反饋調控腦活動，通過腦－機－環境－腦的反饋式交互實現“腦控”與“控腦”。

蒲慕明院士強調，腦機接口還有一些重大的科學問題有待解決。第一個問題是如何解碼大腦信息，也就是需要知道大群神經元的電活動規律和其所代表的意義。目前通過收集腦波信息再用人工智能算法和機器學習算法，解碼的腦波信息解碼只是“表面”解碼，并不是真正理解了大腦活動，并且需要大量精準標記的數據機器學習算法才能學會“表面”解碼。第二個問題是如何調控大腦，即要調控與腦功能相關的特定神經環路電活動，也需要理解神經環路的工作原理，否則就是盲目調控。

蒲慕明院士介紹，我國科學家已研發出具有高度組織相容性的柔性電極陣列，可以做到高時空精度、高通量地記錄動物大腦的電活動，微創、集成化、可植入的小型超柔電極－芯片系統將可應用于腦疾病閉環精細調控。我國科學家未來將研發基于柔性電極的閉環腦機接口，用于治療運動與視覺障礙的患者。柔性電極電極也可應用到大腦網絡基礎研究，利用超柔電極優勢做多腦區、大范圍、長期的信號采集將有助于理解腦認知和學習過程中大腦神經環路的工作原理。蒲慕明院士介紹，上海腦科學與類腦研究中心的團隊目前已實現將柔性電極陣列植入清醒獼猴，可猴子在完全清醒的情況下同時記錄上千個通道，每個通道能夠觀測到單一神經元的放電，現在已經得到了大量信息，進一步需要解碼這些數據，解析其內涵。

蒲慕明院士認為，對大腦的結構和功能的理解是人類認識世界、認識自我的最終挑戰，神經科學將是21 世紀最活躍的前沿基礎學科，要成為真正的科技強國，中國科學家必須要解決世界科技前沿問題和重大問題，做科學領域的“探險家”。近年來很多的青年科學家海外留學歸來，未來年輕人是很有希望的。

專家簡介

蒲慕明，中國科學院院士、美國科學院外籍院士、教授，博士生導師，現任中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心學術主任、上海腦科學與類腦研究中心主任。神經生物學家和生物物理學家，主要從事神經生長和軸突導向、神經元極性建立和神經元遷移等領域研究。